WO2018184917A1 - Verfahren zur herstellung eines auskoppelelements für ein optoelektronisches bauelement und optoelektronisches bauelement - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines auskoppelelements für ein optoelektronisches bauelement und optoelektronisches bauelement Download PDF

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WO2018184917A1
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inorganic dielectric
optoelectronic component
dielectric element
chamber
structuring agent
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Christian Eichinger
Maja Hackenberger
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K2101/00—Properties of the organic materials covered by group H10K85/00

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a decoupling element for an optoelectronic component.
  • the invention relates to an optoelectronic
  • Plasma structuring are generated. This allows defined structures to be created.
  • An object of the invention is to provide a method for
  • the dielectric element has a surface.
  • the dielectric element is incorporated in a chamber.
  • the dielectric element and / or a carrier is configured in operation to rotate.
  • the chamber can also rotate during operation.
  • the method includes a step B), which includes providing a structurant and introducing the structurant into the chamber.
  • Structuring agent comprises or consists of ozone and water.
  • the structuring agent can touch the surface of the inorganic dielectric element, in particular touch directly, and thus produce a roughening in the surface.
  • Direct contact means here direct mechanical contact of the structurant with the surface of the
  • Inorganic dielectric element here means that the element, which is shaped in particular as a layer, has dielectric properties. Moreover, that is
  • the inventors have recognized that roughening can be produced in the inorganic dielectric element with the method described here, so that the coupling-out element has a very good light extraction. In addition, the method described here is easily applicable.
  • the method comprises a step A), providing an inorganic dielectric element.
  • Element may be formed as a layer.
  • the inorganic dielectric element has a homogeneous
  • Layer thickness of, for example, between 20 nm to
  • the inorganic dielectric member has a surface. In particular, the surface is accessible to the structurant. In step A), the inorganic dielectric element is in a chamber
  • the dielectric element and / or the carrier with the wafers in particular rotate about theirs
  • the inorganic dielectric element may be introduced into the chamber.
  • the inorganic dielectric element comprises or consists of an oxide or nitride of a metal.
  • the metal can, for example
  • the inorganic dielectric element comprises alumina (Al 2 O 3).
  • the inorganic dielectric member is made
  • the method has a step B).
  • the structuring agent is provided.
  • Structuring agent has water and ozone.
  • Structuring agent is introduced into the chamber.
  • the structurant may be the surface of the
  • the middle one is the middle one
  • the average roughness Rq is after step B) between 20 nm and 30 nm.
  • the average roughness Rq can be determined by means of white light interferometry (WLI).
  • WLI is a non-contact optical measurement method that exploits the interference of broadband light (white light) and allows so-called three-dimensional profile measurements of structures with dimensions ranging from a few centimeters to several micrometers.
  • the white light interferometry is well known to the person skilled in the art and will therefore not be explained further here.
  • the average roughness Rq is here for
  • the term average roughness Rq is known to a person skilled in the art and is therefore not explained in any more detail here.
  • the square root mean square Rq can be the square one
  • Deionized water here means that the water was freed of its ions by different methods. This water is characterized by its low conductivity.
  • the structuring agent has ozone.
  • ozone is introduced into the chamber in gaseous form.
  • water is introduced liquid.
  • the water forms a thin film of water on the surface of the inorganic dielectric member, splitting the ozone into free radicals, being readily accessible to the dielectric member and thus roughening the surface of the inorganic
  • the senor causes dielectric element. According to at least one embodiment, the
  • Structuring agent additionally a base or acid, wherein the base catalyzing and the acid acts inhibiting.
  • a base is a chemical compound with a pH greater than 7.
  • the base may be dissolved in water, so there may be an aqueous base.
  • ammonia can be used as the base.
  • Ammonia can be used here as a catalyst, which contributes to the dissociation of ozone.
  • the concentration of ammonia is less than or equal to 0.05%. % Means volume percent.
  • the ozone In accordance with at least one embodiment, the ozone,
  • the gaseous ozone having a concentration between 180 g / m ⁇ to 250 g / m ⁇ , for example, 240 g / m ⁇ introduced into the chamber.
  • Structuring agent in step B) a temperature between room temperature and including 90 ° C, in particular for example 40 ° C on.
  • Reaction temperature should not be below 40 ° C to produce an optimum roughening on the surface of the inorganic dielectric member. It has been found that in particular an optimum result in relation to the reaction rate at a reaction temperature of about 40 ° C could be observed.
  • the carrier in or on which the wafers are arranged may have a rotational speed between 5 rpm or 25 rpm and 1200 rpm. The thinner the water film is, the surface of the inorganic dielectric member touched, the greater the proportion of ozone that can reach the surface. This results in an optimal roughening of the surface of the inorganic dielectric member.
  • the method after step B) comprises a further step of drying the inorganic dielectric element.
  • the structuring agent may be removed again.
  • the inorganic dielectric element can be rinsed by means of a gas, for example nitrogen, or compressed air (CDA). It can be used inert gas and / or compressed air.
  • a gas for example nitrogen, or compressed air (CDA). It can be used inert gas and / or compressed air.
  • the carrier in the chamber has a rotational speed of 25 RPM to 1200 RPM, typically 1000 RPM.
  • the inorganic dielectric element is formed as a layer with a layer thickness of between 20 nm and 150 nm inclusive.
  • the inorganic dielectric element is treated with the structurant for between 5 minutes and 20 minutes inclusive.
  • the method preferably uses a wet-chemical etching by means of a structuring agent of at least deionized water and ozone.
  • a structuring agent of at least deionized water and ozone.
  • ammonia may be added.
  • the invention further relates to an optoelectronic
  • the optoelectronic portion is Component.
  • the optoelectronic portion is Component.
  • the optoelectronic component is preferably made with the one described here
  • Optoelectronic component on a semiconductor layer sequence is set up for radiation emission.
  • the optoelectronic component on a semiconductor layer sequence is set up for radiation emission.
  • Component also have an organic layer sequence.
  • the optoelectronic component has a coupling-out element.
  • the decoupling element has at least one inorganic dielectric element with a surface.
  • inorganic dielectric element can be a medium
  • Roughness here also referred to as Rq
  • the nm including 20 nm and including 30 nm. According to at least one embodiment, the
  • the semiconductor layer sequence is preferably based on a III-V compound semiconductor material.
  • Semiconductor material is, for example, a
  • Nitride compound semiconductor material such as Al n In] __ n _ m Ga m N or a phosphide compound semiconductor material such as Al n In] __ n _ m Ga m P or an arsenide compound semiconductor material such as Al n In] __ n _ m Ga m As, where each 0 ⁇ n ⁇ 1, 0 ⁇ m ⁇ 1 and n + m ⁇ 1.
  • the semiconductor layer sequence such as Al n In] __ n _ m Ga m N or a phosphide compound semiconductor material such as Al n In] __ n _ m Ga m P or an arsenide compound semiconductor material such as Al n In] __ n _ m Ga m As, where each 0 ⁇ n ⁇ 1, 0 ⁇ m ⁇ 1 and n + m ⁇ 1.
  • the semiconductor layer sequence such as Al n In] __ n _ m
  • Semiconductor layer sequence that is, Al, As, Ga, In, N or P, indicated, although these may be partially replaced by small amounts of other substances and / or supplemented.
  • the semiconductor layer sequence comprises one or more active layers.
  • the at least one active layer is for
  • the active layer contains at least one pn junction or at least one quantum well.
  • ultraviolet, visible and / or near-infrared light or radiation is generated in the active layer during operation of the optoelectronic component.
  • the radiation generated in the active layer has a major wavelength.
  • the component has a substrate.
  • the substrate may for example comprise one or more materials in the form of a layer, a plate, a foil or a laminate, which are selected from gas, quartz, plastic, metal, silicon wafer,
  • the substrate glass for example in the form of a glass layer, glass sheet or glass plate or consists thereof.
  • Optoelectronic component on a first and second electrode Optoelectronic component on a first and second electrode.
  • both electrodes can be transparent, so that the component is designed as a so-called double-sided emitting OLED.
  • TCO transparent conductive oxide
  • ITO transparent conductive oxide
  • a transparent electrode may also be a
  • one of the electrodes forms the anode, while the other electrode forms the cathode.
  • the component has an organically functional layer stack as OLED.
  • OLED organically functional layer stack
  • radiation is generated in the organically functional layer stack.
  • a wavelength of the radiation or the wavelength maximum is preferably in the infrared and / or ultraviolet and / or visible spectral range, in particular at
  • the organic functional layer stack may include layers of organic polymers, organic oligomers,
  • organic monomers organic small-molecule molecules ("small molecules") or combinations thereof.
  • the organic functional layer stack may have additional functional layers that are known as
  • the organic functional layer stack can furthermore have at least one functional layer, which is formed as an electron transport layer.
  • the organic functional layer stack may comprise additional layers selected from hole injection layers,
  • Electron transport layers hole blocking layers and
  • Electron blocking layers In particular, the
  • the functional layer stack also have inorganic materials or are formed therefrom.
  • the optoelectronic component can additionally
  • FIG. 2A to 2B a semiconductor layer sequence or an organic layer sequence according to an embodiment, Figures 3A to 3E, a method for producing a
  • FIGS. 4A to 4C each show an electron micrograph (SEM) according to an embodiment in each case
  • FIGS. 5A and 5C show a three-dimensional profile measurement by means of white-light interferometry according to an embodiment
  • FIGS. 5B and 5D show the associated measured values of the 3D profile measurement of FIGS. 5B and 5C, and FIGS.
  • FIGS 6A and 6B AFM measurements according to one embodiment.
  • FIGS. 1A to 1C each show a schematic
  • the optoelectronic component has a substrate 11, or else called carrier. On the
  • Carrier 11 is a semiconductor layer sequence 1 or organic layer sequence 1 is arranged. In the case of one
  • this semiconductor layer sequence is epitaxial on, for example, a sapphire substrate
  • Layer sequence 1 applied to, for example, a glass substrate 11.
  • FIG. 1A shows that the decoupling element 2 is arranged on the semiconductor layer sequence 1, in particular directly.
  • the decoupling element 2 has a structuring on the surface 4. The structuring is in consequence of the
  • the structuring or roughening has an average roughness, in particular between 10 nm and 50 nm inclusive, for example between 20 nm and 30 nm inclusive. That in the
  • Decoupling element 2 is arranged on the back of the carrier 11 directly.
  • the radiation generated in the semiconductor layer sequence 1 can be coupled out upward, that is to say in the opposite direction of the carrier 11.
  • the radiation is emitted via the carrier 11 and the decoupling element 2 from the
  • Component 100 decoupled.
  • FIG. 1C shows a combination of the arrangement of FIG
  • Decoupling element 2 of Figures 1A and IB In the component of the figure IC two outcoupling elements 2 are present.
  • the one output coupling element 2-1 is applied directly to the semiconductor layer sequence 1.
  • the second decoupling element 2-2 is applied to one of the semiconductor layer sequence 1 opposite side of the carrier 11, in particular applied directly.
  • Alumina is used as the material for the inorganic dielectric member 3.
  • FIGS. 2A and 2B show a schematic side view of a semiconductor layer sequence 1 or an organic layer sequence 1 according to an embodiment.
  • FIG. 2A shows an n-doped semiconductor layer 101, having an active layer 102 disposed thereon and thereon
  • Layers can be epitaxially grown
  • the layer sequence is organically formed.
  • the layer sequence here is in particular a layer sequence 1 of an OLED.
  • Layer sequence has a hole transport layer 104
  • Light injection layer 105 emission layer 106
  • Electron transport layer 107 and
  • Layers can be between two electrodes 109 and 110
  • FIGS. 3A to 3E show a method for producing an outcoupling element 2 for an optoelectronic device
  • FIG. 3A shows the provision of an inorganic dielectric element 3 with a surface 4.
  • the inorganic dielectric member 3 is placed in a chamber 10 as shown in Fig. 3B.
  • the carrier 11 and / or the inorganic dielectric member 3 are thereto
  • This can be a
  • the structuring agent 10 can be added via separate inlets.
  • the structuring agent may comprise water 7 and ozone 8.
  • ammonia can also be used as
  • Catalyst can be added (not shown here).
  • FIG. 3C shows the inorganic dielectric element 3 having a roughening in the surface 4.
  • the Roughening may have any structure, such as pyramidal or frustoconical.
  • the figure 3D shows that not only the surface 4
  • FIG. 3E shows that the roughening of the inorganic dielectric element 3 took place here in regions.
  • FIGS. 4A to 4C each show one
  • FIGS. 4A to 4C each show an inorganic dielectric member 2 having a surface 4 which is the one
  • FIGS. 5A and 5C show a three-dimensional profile structure of a white-light interferometry measurement according to an embodiment in each case.
  • Figures 5B and 5D respectively show the associated ones
  • the table of Figure 5B shows the results of the measurement of Figure 5A.
  • the table of Figure 5D shows the results of the measurements of Figure 5C.
  • Ra values, Rp values, Rq values, Rt values, and Rv values are shown (root mean square roughness Rq, center line average roughness Ra, surface roughness Rt, mean smoothing depth Rp, and mean groove depth Rv). It can be seen from the table of FIGS. 5B and 5D that the measurements here have a Rq value of 31.05 nm or 22.35 nm.
  • an average roughness Rq of between 20 nm and 35 nm inclusive, in particular between 22 nm and 30 nm inclusive, can be generated.
  • the layer thicknesses of the dielectric element 3 determined here are, for example, between 40 nm and 80 nm. Thicker or thinner layers are also possible.
  • Figures 6A and 6B show scanning force microscopy
  • the inorganic dielectric member 3 is here formed of alumina.
  • the layer thickness of the inorganic dielectric element 3 is 190 nm.
  • the average roughness Rq has a value of approximately 27.9 nm.
  • Embodiments and their features may according to further Embodiments are also combined with each other, even if such combinations are not explicitly shown in the figures. Furthermore, the embodiments described in connection with the figures may have additional or alternative features as described in the general part.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Auskoppelelements (2) für ein optoelektronisches Bauelement (100) aufweisend die folgenden Verfahrensschritte: A) Bereitstellen eines anorganischen dielektrischen Elements (3) mit einer Oberfläche (4) in eine Kammer (10), wobei das dielektrische Element im Betrieb rotiert (5), und B) Bereitstellen eines Strukturierungsmittels (6) umfassend Wasser (7) und Ozon (8) und Einbringen des Strukturierungsmittels (6) in die Kammer (10), so dass das Strukturierungsmittel (6) die Oberfläche (4) des anorganischen dielektrischen Elements (3) berührt und eine Aufrauung (9) in der Oberfläche (4) erzeugt wird.

Description

Beschreibung
VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES AUSKOPPELELEMENTS FÜR E OPTOELEKTRONISCHES BAUELEMENT UND OPTOELEKTRONISCHES
BAUELEMENT
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Auskoppelelements für ein optoelektronisches Bauelement.
Ferner betrifft die Erfindung ein optoelektronisches
Bauelement, das insbesondere ein Auskoppelelement aufweist
Bisher werden anorganische Halbleiterschichten,
gegebenenfalls dielektrische Schichten oder
Halbleiterschichten mittels Nasschemie aufgeraut. Dabei kann beispielsweise Kaliumhydroxidlösung dienen. Damit kann eine statistische Verteilung der Aufraustruktur-Größen erzielt werden. Alternativ kann die Aufrauung auch mittels
Plasmastrukturierung erzeugt werden. Damit können definierte Strukturen erzeugt werden.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur
Herstellung eines Auskoppelelements für ein
optoelektronisches Bauelement bereitzustellen, das effizient und einfach ein Auskoppelelement erzeugt. Ferner ist Aufgabe der Erfindung, ein optoelektronisches Bauelement mit einem Auskoppelelernent bereitzustellen.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren zur Herstellung eines Auskoppelelements für ein optoelektronisches Bauelement gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Ferner werden diese Aufgaben durch ein optoelektronisches Bauelement gemäß dem Anspruch 15 gelöst.
In zumindest einer Ausführungsform weist das Verfahren zur Herstellung eines Auskoppelelements für ein
optoelektronisches Bauelement die folgenden
Verfahrensschritte auf:
A) Bereitstellen eines anorganischen dielektrischen Elements. Das dielektrische Element weist eine Oberfläche auf. Das dielektrische Element ist in einer Kammer eingebracht. Das dielektrische Element und/oder ein Träger ist im Betrieb dazu eingerichtet, zu rotieren. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Kammer im Betrieb rotieren.
Das Verfahren weist einen Schritt B) auf, der beinhaltet das Bereitstellen eines Strukturierungsmittels und das Einbringen des Strukturierungsmittels in die Kammer. Das
Strukturierungsmittel umfasst Ozon und Wasser oder besteht daraus. Das Strukturierungsmittel kann die Oberfläche des anorganischen dielektrischen Elements berühren, insbesondere direkt berühren, und damit eine Aufrauung in der Oberfläche erzeugen . Direkt berühren meint hier unmittelbarer mechanischer Kontakt des Strukturierungsmittels mit der Oberfläche des
anorganischen dielektrischen Elements.
Anorganisches dielektrisches Element meint hier, dass das Element, das insbesondere als Schicht ausgeformt wird, dielektrische Eigenschaften aufweist. Zudem ist das
dielektrische Element insbesondere ausschließlich aus
anorganischen Materialien geformt. Die Erfinder haben erkannt, dass mit dem hier beschriebenen Verfahren eine Aufrauung in dem anorganischen dielektrischen Element erzeugt werden kann, so dass das Auskoppelelement eine sehr gute Lichtauskopplung aufweist. Zudem ist das hier beschriebene Verfahren leicht anwendbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Verfahren einen Schritt A) auf, Bereitstellen eines anorganischen dielektrischen Elements. Das anorganische dielektrische
Element kann als Schicht ausgeformt sein. Insbesondere weist das anorganische dielektrische Element eine homogene
Schichtdicke von beispielsweise zwischen 20 nm bis
einschließlich 150 nm auf. Grundsätzlich können auch dickere Schichten mit Schichtdicken von größer als 150 nm verwendet werden. Das anorganische dielektrische Element weist eine Oberfläche auf. Insbesondere ist die Oberfläche für das Strukturierungsmittel zugänglich. In Schritt A) ist das anorganische dielektrische Element in einer Kammer
angeordnet. Das dielektrische Element und/oder der Träger mit den Wafern rotieren im Betrieb insbesondere um ihre
Rotationsachse. Das anorganische dielektrische Element kann in die Kammer eingebracht werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das anorganische dielektrische Element ein Oxid oder Nitrid eines Metalls auf oder besteht aus diesem. Das Metall kann beispielsweise
Aluminium sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das anorganische dielektrische Element Aluminiumoxid (A1203) auf. Alternativ besteht das anorganische dielektrische Element aus
Aluminiumoxid . Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Verfahren einen Schritt B) auf. In dem Verfahrensschritt B) wird das Strukturierungsmittel bereitgestellt. Das
Strukturierungsmittel weist Wasser und Ozon auf. Das
Strukturierungsmittel wird in die Kammer eingebracht. Damit kann das Strukturierungsmittel die Oberfläche des
anorganischen dielektrischen Elements berühren, insbesondere direkt berühren, und eine Aufrauung in der Oberfläche erzeugen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die mittlere
Rauigkeit Rq während oder nach Schritt B) zwischen
einschließlich 20 nm und einschließlich 50 nm, insbesondere zwischen einschließlich 22 nm und einschließlich 40 nm, insbesondere zwischen einschließlich 25 nm und einschließlich 35 nm, insbesondere zwischen einschließlich 25 nm und einschließlich 32 nm, beispielsweise 30 nm. Vorzugsweise ist die mittlere Rauigkeit Rq nach Schritt B) zwischen 20 nm und 30 nm. Die mittlere Rauigkeit Rq kann mittels Weißlichtinterferometrie (WLI) bestimmt werden. WLI ist eine berührungslose optische Messmethode, welche die Interferenz von breitbandigem Licht (Weißlicht) ausnutzt und sogenannte dreidimensionale Profilmessungen von Strukturen mit Abmessungen zwischen einigen Zentimetern und einigen Mikrometern erlaubt. Die Weißlichtinterferometrie ist dem Fachmann hinreichend bekannt und wird daher an dieser Stelle nicht weiter erläutert.
Insbesondere ist die mittlere Rauigkeit Rq hier für
Schichtdicken zwischen einschließlich 20 nm und
einschließlich 150 nm, insbesondere zwischen einschließlich 35 nm und einschließlich 85 nm, beispielsweise zwischen einschließlich 40 nm und einschließlich 80 nm des organischen dielektrischen Elements angegeben. Der Begriff mittlere Rauigkeit Rq ist einem Fachmann bekannt und wird daher an dieser Stelle nicht näher erläutert. Der quadratische Mittenrauwert Rq kann der quadratische
Mittelwert der Profilabweichung sein. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Strukturierungsmittel Wasser und Ozon auf. Insbesondere ist das Wasser deionisiert. Deionisiertes Wasser meint hier, dass das Wasser durch unterschiedliche Verfahren von seinen Ionen befreit wurde. Dieses Wasser zeichnet sich durch seine geringe Leitfähigkeit aus.
Das Strukturierungsmittel weist Ozon auf. Durch die
Verwendung des Strukturierungsmittels , das heißt einer
Mischung aus Ozon und Wasser, kann eine Strukturierung oder Aufrauung in der Oberfläche des anorganischen dielektrischen Elements erzeugt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird Ozon gasförmig in die Kammer eingeleitet. Zusätzlich wird insbesondere Wasser flüssig eingeleitet. Das Wasser bildet während der Rotation des anorganischen dielektrischen Elements in der Kammer einen dünnen Wasserfilm auf der Oberfläche des anorganischen dielektrischen Elements, wobei das Ozon in Radikale gespaltet wird, leicht zugänglich zum dielektrischen Element ist und somit eine Aufrauung der Oberfläche des anorganischen
dielektrischen Elements bewirkt. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Strukturierungsmittel zusätzlich eine Base oder Säure auf, wobei die Base katalysierend und die Säure inhibierend wirkt. Eine Base ist eine chemische Verbindung mit einem pH-Wert größer 7. Die Base kann gelöst in Wasser sein, es kann also eine wässrige Base vorliegen. Als Base kann beispielsweise Ammoniak verwendet werden. Ammoniak kann hier als Katalysator eingesetzt werden, der zur Dissoziation des Ozons beiträgt. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Konzentration des Ammoniaks kleiner oder gleich 0,05 %. Mit % sind hier Volumenprozent gemeint.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das Ozon,
insbesondere das gasförmige Ozon, mit einer Konzentration zwischen 180 g/m^ bis 250 g/m^, beispielsweise mit 240 g/m^, in die Kammer eingeleitet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Strukturierungsmittel im Schritt B) eine Temperatur zwischen einschließlich Raumtemperatur und einschließlich 90 °C, insbesondere beispielsweise 40 °C auf. Die
Reaktionstemperatur sollte nicht unter 40 °C liegen, um eine optimale Aufrauung an der Oberfläche des anorganischen dielektrischen Elements zu erzeugen. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere ein optimales Ergebnis im Verhältnis zur Reaktionsgeschwindigkeit bei einer Reaktionstemperatur von ungefähr 40 °C beobachtet werden konnte. Der Träger, in oder auf dem die Wafer angeordnet sind, kann eine Rotationsgeschwindigkeit zwischen 5 U/min oder 25 U/min und 1200 U/min aufweisen. Je dünner der Wasserfilm ist, der die Oberfläche des anorganischen dielektrischen Elements berührt, umso größer ist der Anteil des Ozons, der an die Oberfläche gelangen kann. Dies resultiert in einer optimalen Aufrauung der Oberfläche des anorganischen dielektrischen Elements .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Verfahren nach Schritt B) einen weiteren Schritt auf, Trocknen des anorganischen dielektrischen Elements. Mit anderen Worten, kann nach der Aufrauung der Oberfläche des anorganischen dielektrischen Elements das Strukturierungsmittel wieder entfernt werden.
Im anschließenden Verfahrensschritt kann das anorganische dielektrische Element mittels eines Gases, beispielsweise Stickstoff, oder gepresste Luft (Compressed Air, CDA) gespült werden. Es kann Inertgas und/oder Druckluft verwendet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Träger in der Kammer im Betrieb eine Rotationsgeschwindigkeit von 25 RPM bis 1200 RPM, typischerweise 1000 RPM auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das anorganische dielektrische Element als Schicht mit einer Schichtdicke zwischen einschließlich 20 nm und einschließlich 150 nm ausgeformt .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das anorganische dielektrische Element zwischen einschließlich 5 Minuten und einschließlich 20 Minuten mit dem Strukturierungsmittel behandelt .
Die Erfinder haben erkannt, dass mittels dem hier
beschriebenen Verfahren eine Mikrorauigkeit in dem anorganischen dielektrischen Element, das insbesondere eine Aluminiumoxidschicht ist, erzeugt werden kann. Das Verfahren verwendet vorzugsweise eine nasschemische Ätzung mittels eines Strukturierungsmittels aus zumindest deionisiertem Wasser und Ozon. Zusätzlich kann Ammoniak zugesetzt sein.
Die Anpassung der Dimension der Rauigkeit der
Schichtdickenänderung des anorganischen dielektrischen
Elements ist möglich. Die herkömmlichen Methoden können nicht das komplette Dimensionsspektrum hin zu kleineren
Strukturgrößen abdecken.
Die Erfindung betrifft ferner ein optoelektronisches
Bauelement. Vorzugsweise weist das optoelektronische
Bauelement ein Auskoppelelement auf. Das optoelektronische Bauelement wird vorzugsweise mit dem hier beschriebenen
Verfahren hergestellt. Dabei gelten alle Definitionen und Ausführungen des Verfahrens auch für das optoelektronische Bauelement und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
optoelektronische Bauelement eine Halbleiterschichtenfolge auf. Die Halbleiterschichtenfolge ist zur Strahlungsemission eingerichtet. Alternativ kann das optoelektronische
Bauelement auch eine organische Schichtenfolge aufweisen. Das optoelektronische Bauelement weist ein Auskoppelelement auf. Das Auskoppelelement weist zumindest ein anorganisches dielektrisches Element mit einer Oberfläche auf. Das
anorganische dielektrische Element kann eine mittlere
Rauigkeit, hier auch als Rq bezeichnet, zwischen
einschließlich 20 nm und einschließlich 30 nm aufweisen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
optoelektronische Bauelement eine Halbleiterschichtenfolge auf. Die Halbleiterschichtenfolge basiert bevorzugt auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial . Bei dem
Halbleitermaterial handelt es sich zum Beispiel um ein
Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial wie AlnIn]__n_mGamN oder um ein Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial wie AlnIn]__n_ mGamP oder auch um ein Arsenid-Verbindungshalbleitermaterial wie AlnIn]__n_mGamAs, wobei jeweils 0 ^ n < 1, 0 ^ m < 1 und n + m < 1 ist. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge
Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen
Bestandteile des Kristallgitters der
Halbleiterschichtenfolge, also AI, As, Ga, In, N oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
Die Halbleiterschichtenfolge umfasst ein oder mehrere aktive Schichten. Die mindestens eine aktive Schicht ist zur
Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung eingerichtet.
Beispielsweise beinhaltet die aktive Schicht wenigstens einen pn-Übergang oder mindestens einen Quantentopf. Insbesondere wird in der aktiven Schicht ultraviolettes, sichtbares und/oder nahinfrarotes Licht oder Strahlung im Betrieb des optoelektronischen Bauelements erzeugt. Die in der aktiven Schicht erzeugte Strahlung weist eine Hauptwellenlänge auf. Die Hauptwellenlänge, englisch: peak wavelength, ist
diejenige Wellenlänge, bei der im bestimmungsgemäßen Betrieb die größte Strahlungsintensität erzeugt wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das
optoelektronische Bauelement eine Leuchtdiode, kurz LED. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das
optoelektronische Bauelement als organische lichtemittierende Diode (OLED) ausgeformt. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Bauelement ein Substrat auf. Das Substrat kann beispielsweise ein oder mehrere Materialien in Form einer Schicht, einer Platte, einer Folie oder einem Laminat aufweisen, die ausgewählt sind aus Gas, Quarz, Kunststoff, Metall, Siliziumwafer,
keramikbeschichtetes Papier. Besonders bevorzugt weist das Substrat Glas, beispielsweise in Form einer Glasschicht, Glasfolie oder Glasplatte auf oder besteht daraus.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
optoelektronische Bauelement eine erste und zweite Elektrode auf. Davon ist insbesondere zumindest eine Elektrode
transparent ausgeformt. Mit transparent wird hier und im Folgenden eine Schicht bezeichnet, die durchlässig für sichtbares Licht ist. Alternativ können auch beide Elektroden transparent ausgeführt sein, so dass das Bauelement als sogenannte beidseitig emittierende OLED ausgestaltet ist.
Als Material für eine transparente Elektrode kann
beispielsweise ein transparentes leitfähiges Oxid (TCO, transparent conductive oxide) , wie beispielsweise ITO, verwendet werden.
Weiterhin kann eine transparente Elektrode auch eine
Metallschicht mit einem Metall oder einer Legierung
aufweisen, beispielsweise mit einem oder mehreren der folgenden Materialien: Silber, Platin, Gold, Magnesium oder eine Legierung aus Silber und Magnesium. Insbesondere bildet eine der Elektroden die Anode, während die andere Elektrode die Kathode ausbildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Bauelement als OLED einen organisch funktionellen Schichtenstapel auf. Im Betrieb des optoelektronischen Bauelements wird in dem organisch funktionellen Schichtenstapel Strahlung erzeugt. Eine Wellenlänge der Strahlung oder das Wellenlängenmaximum liegt bevorzugt im infraroten und/oder ultravioletten und/oder sichtbaren Spektralbereich, insbesondere bei
Wellenlängen zwischen einschließlich 420 nm und
einschließlich 680 nm.
Der organische funktionelle Schichtenstapel kann Schichten mit organischen Polymeren, organischen Oligomeren,
organischen Monomeren, organischen kleinlichtpolymeren Molekülen ("small molecules") oder Kombinationen daraus aufweisen. Der organische funktionelle Schichtenstapel kann zusätzliche funktionelle Schichten aufweisen, die als
Lochtransportschichten ausgeführt sind, um eine effektive Löcherinjektion in den zumindest einen funktionellen
Schichtenstapel zu ermöglichen. Der organische funktionelle Schichtenstapel kann weiterhin zumindest eine funktionelle Schicht aufweisen, die als Elektronentransportschicht ausgebildet ist. Allgemein kann der organische funktionelle Schichtenstapel zusätzliche Schichten aufweisen, die ausgewählt sind aus Löcherinjektionsschichten,
Lochtransportschichten, Elektroninj ektionsschichten,
Elektrontransportschichten, Lochblockierschichten und
Elektronenblockierschichten . Insbesondere können die
Schichten des organischen funktionellen Schichtenstapels vollständig oder zumindest überwiegend organische
funktionelle Schichten sein. Darüber hinaus kann es auch möglich sein, dass einzelne Schichten des organischen
funktionellen Schichtenstapels auch anorganische Materialien aufweisen oder daraus gebildet sind. Das optoelektronische Bauelement kann zusätzlich
StromaufWeitungsstrukturen aufweisen .
Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und
Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in
Verbindung beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
Figuren 1A bis IC ein optoelektronisches Bauelement gemäß einer Ausführungsform,
Figuren 2A bis 2B eine Halbleiterschichtenfolge oder eine organische Schichtenfolge gemäß einer Ausführungsform, Figuren 3A bis 3E ein Verfahren zur Herstellung eines
optoelektronischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform,
Figuren 4A bis 4C jeweils eine elektromikroskopische Aufnahme (SEM) gemäß jeweils einer Ausführungsform,
Figuren 5A und 5C eine dreidimensionale Profilmessung mittels Weißlichtinterferometrie gemäß einer Ausführungsform,
Figuren 5B und 5D die zugehörigen ermittelten Messwerte der 3D-Profilmessung der Figuren 5B beziehungsweise 5C, und
Figuren 6A und 6B AFM-Messungen gemäß einer Ausführungsform. In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige und gleich wirkende Elemente jeweils mit
denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt werden. Die Figuren 1A bis IC zeigen jeweils eine schematische
Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform. Das optoelektronische Bauelement weist ein Substrat 11, oder auch Träger genannt, auf. Auf dem
Träger 11 ist eine Halbleiterschichtenfolge 1 oder organische Schichtenfolge 1 angeordnet. Im Fall einer
Halbleiterschichtenfolge 1 ist diese Halbleiterschichtenfolge auf beispielsweise einem Saphirsubstrat epitaktisch
aufgewachsen. Im Falle einer OLED ist eine organische
Schichtenfolge 1 auf beispielsweise einem Glassubstrat 11 aufgebracht.
In Figur 1A ist gezeigt, dass das Auskoppelelement 2 auf der Halbleiterschichtenfolge 1, insbesondere direkt, angeordnet ist. Das Auskoppelelement 2 weist eine Strukturierung auf der Oberfläche 4 auf. Die Strukturierung ist in Folge der
Aufrauung mit dem hier beschriebenen Verfahren erzeugt worden. Die Strukturierung oder Aufrauung weist eine mittlere Rauigkeit insbesondere zwischen einschließlich 10 nm und einschließlich 50 nm, beispielsweise zwischen einschließlich 20 nm und einschließlich 30 nm auf. Das in der
Halbleiterschichtenfolge 1 erzeugte Licht kann über das Auskoppelelement 2 aus dem Bauelement 100 ausgekoppelt werden 12. Im Gegensatz dazu zeigt die Figur 1B, dass das
Auskoppelelement 2 rückseitig auf dem Träger 11 direkt angeordnet ist. Insbesondere kann, wie in Figur 1A gezeigt, die in der Halbleiterschichtenfolge 1 erzeugte Strahlung nach oben, also in die entgegengesetzte Richtung des Trägers 11 ausgekoppelt werden. Im Fall der Figur 1B wird die Strahlung über den Träger 11 und dem Auskoppelelement 2 aus dem
Bauelement 100 ausgekoppelt.
Die Figur IC zeigt eine Kombination der Anordnung des
Auskoppelelements 2 der Figuren 1A und IB. Im Bauelement der Figur IC sind zwei Auskoppelelemente 2 vorhanden. Das eine Auskoppelelement 2-1 ist auf der Halbleiterschichtenfolge 1 direkt aufgebracht. Das zweite Auskoppelelement 2-2 ist auf einer der Halbleiterschichtenfolge 1 gegenüberliegenden Seite des Trägers 11 aufgebracht, insbesondere direkt aufgebracht.
Vorzugsweise wird in dem Auskoppelelement 2-1, 2-2 oder in den hier beschriebenen Auskoppelelementen 2-1, 2-2
Aluminiumoxid als Material für das anorganische dielektrische Element 3 verwendet.
Die Figuren 2A und 2B zeigen eine schematische Seitenansicht einer Halbleiterschichtenfolge 1 beziehungsweise einer organischen Schichtenfolge 1 gemäß einer Ausführungsform.
Die Figur 2A zeigt eine n-dotierte Halbleiterschicht 101, darauf angeordnet eine aktive Schicht 102 und darauf
angeordnet eine p-dotierte Halbleiterschicht 103. Diese
Schichten können die epitaktisch gewachsene
Halbleiterschichtenfolge 1 einer anorganischen
lichtemittierenden Leuchtdiode (LED) bilden. Im Vergleich dazu ist, wie in Figur 2B gezeigt, die Schichtenfolge organisch ausgebildet. Die Schichtenfolge ist hier insbesondere eine Schichtenfolge 1 einer OLED. Die
Schichtenfolge weist eine Lochtransportschicht 104,
Lichtinjektionsschicht 105, Emissionsschicht 106,
Elektronentransportschicht 107 und
Elektroneninjektionsschicht 108 auf. Diese organischen
Schichten können zwischen zwei Elektroden 109 und 110
angeordnet sein.
Die Figuren 3A bis 3E zeigen ein Verfahren zur Herstellung eines Auskoppelelements 2 für ein optoelektronisches
Bauelement 100.
In der Figur 3A ist das Bereitstellen eines anorganischen dielektrischen Elements 3 mit einer Oberfläche 4 gezeigt. Das anorganische dielektrische Element 3 wird in einer Kammer 10, wie in Figur 3B gezeigt, eingebracht. Der Träger 11 und/oder das anorganische dielektrische Element 3 sind dazu
eingerichtet, im Betrieb zu rotieren. Damit kann ein
gleichmäßiges Auftragen des Strukturierungsmittels 6 in der Kammer 10 auf das anorganische dielektrische Element 3, das auf einem Wafer angeordnet sein kann, erzeugt werden, wobei eine gleichmäßige Aufrauung in der Oberfläche 4 erzeugt wird.
Das Strukturierungsmittel 10 kann über separate Einlässe zugefügt werden. Das Strukturierungsmittel kann Wasser 7 und Ozon 8 umfassen. Zusätzlich kann auch Ammoniak als
Katalysator zugesetzt werden (hier nicht gezeigt) .
Die Figur 3C zeigt das anorganische dielektrische Element 3, das eine Aufrauung in der Oberfläche 4 aufweist. Die Aufrauung kann jede mögliche Struktur, wie pyramidal oder kegelstumpfartig, aufweisen.
Die Figur 3D zeigt, dass nicht nur die Oberfläche 4
strukturiert wurde, sondern auch die der Oberfläche 4 gegenüberliegende Seite des anorganischen dielektrischen Elements 3 strukturiert ist.
Die Figur 3E zeigt, dass die Aufrauung des anorganischen dielektrischen Elements 3 hier bereichsweise erfolgte.
Beispielsweise können vor Einbringen des anorganischen dielektrischen Elements 3 bestimmte Bereiche auf der
Oberfläche 4 maskiert werden, die also nicht mit aufgeraut werden sollen. Nach der Behandlung des anorganischen
dielektrischen Elements 3 in der Kammer 10 und nach Schritt B) kann diese Maske wieder entfernt werden, sodass auf der Oberfläche Bereiche erzeugt werden, die aufgeraut sind und Bereiche erzeugt werden, die keine Aufrauung aufweisen. Die Figuren 4A bis 4C zeigen jeweils eine
elektronenmikroskopische Aufnahme (SEM) gemäß einer
Ausführungsform.
Die Figuren 4A bis 4C zeigen jeweils ein anorganisches dielektrisches Element 2 mit einer Oberfläche 4, die die
Aufrauung aufweist. Im Zentrum des jeweiligen Ausschnittes der elektronenmikroskopischen Aufnahmen ist eine kreisförmige Anordnung aufgebracht. Dies kann beispielsweise ein
zusätzliches Element sein, was auf dem anorganischen
dielektrischen Element 3 angeordnet ist. Die Figuren 5A und 5C zeigen eine dreidimensionale Profilstruktur einer Weißlichtinterferometriemessung gemäß jeweils einer Ausführungsform. Die Figuren 5B und 5D zeigen jeweils die zugehörigen
ermittelten Messwerte aus den 3D-Profilmessungen . Die Tabelle der Figur 5B zeigt die Ergebnisse der Messung aus Figur 5A. Die Tabelle der Figur 5D zeigt die Ergebnisse der Messungen der Figur 5C. In den Tabellen 5B und 5D sind jeweils Ra- Werte, Rp-Werte, Rq-Werte, Rt-Werte und Rv-Werte dargestellt (quadratische Mittenrauwert Rq, arithmetische Mittenrauwert Ra, Rautiefe Rt, mittlere Glättungstiefe Rp und mittlere Riefentiefe Rv) . Aus der Tabelle der Figuren 5B und 5D ist zu entnehmen, dass die Messungen hier einen Rq-Wert von 31,05 nm beziehungsweise 22,35 nm aufweisen. Mit anderen Worten kann mittels dem hier beschriebenen Verfahren eine mittlere Rauigkeit Rq von zwischen einschließlich 20 nm und einschließlich 35 nm, insbesondere zwischen einschließlich 22 nm und einschließlich 30 nm erzeugt werden. Die Schichtdicken des hier bestimmten dielektrischen Elements 3 sind beispielsweise zwischen 40 nm und 80 nm. Dickere oder dünnere Schichten sind auch möglich. Die Figuren 6A und 6B zeigen rasterkraftmikroskopische
Aufnahmen (AFM) gemäß einer Ausführungsform. Das anorganische dielektrische Element 3 ist hier aus Aluminiumoxid geformt. Die Schichtdicke des anorganischen dielektrischen Elements 3 ist 190 nm. Die mittlere Rauigkeit Rq weist einen Wert von zirka 27,9 nm auf.
Die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen
Ausführungsbeispiele und deren Merkmale können gemäß weiterer Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden, auch wenn solche Kombinationen nicht explizit in den Figuren gezeigt sind. Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele zusätzliche oder alternative Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes Merkmal sowie jede Kombination von
Merkmalen, die insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2017 107 432.5, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Bezugs zeichenliste
100 optoelektronisches Bauelement
1 Halbleiterschichtenfolge oder organische
Schichtenfolge
2 Auskoppelelement
3 anorganisches dielektrisches Element
4 Oberfläche des anorganischen dielektrischen
Elements
5 Rotation
6 Strukturierungsmittel
7 Wasser
8 Ozon
9 Aufrauung
10 Kammer
Rq mittlere Rauigkeit
11 Träger oder Substrat
12 Strahlung
101 n-dotierte Halbleiterschicht
102 aktive Schicht
103 p-dotierte Halbleiterschicht
104 Lochtransportschicht
105 Lochinjektionsschicht
106 Emissionsschicht
107 Elektronentransportschicht
108 Elektroneninjektionsschicht
109 erste Elektrode
110 zweite Elektrode

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Auskoppelelements (2) für ein optoelektronisches Bauelement (100) aufweisend die folgenden Verfahrensschritte:
A) Bereitstellen eines anorganischen dielektrischen Elements (3) mit einer Oberfläche (4) in eine Kammer (10), wobei das dielektrische Element im Betrieb in der Kammer rotiert (5) , und
B) Bereitstellen eines Strukturierungsmittels (6) umfassend Wasser (7) und Ozon (8) und Einbringen des
Strukturierungsmittels (6) in die Kammer (10), so dass das Strukturierungsmittel (6) die Oberfläche (4) des
anorganischen dielektrischen Elements (3) berührt und eine Aufrauung (9) in der Oberfläche (4) erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei das anorganische dielektrische Element (3) aus einem Oxid oder Nitrid eines Metalls geformt ist.
3. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden
Ansprüche,
wobei das anorganische dielektrische Element (3)
Aluminiumoxid aufweist.
4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden
Ansprüche,
wobei die mittlere Rauigkeit (Rq) nach Schritt B) zwischen 20 und 30 nm ist.
5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei das Strukturierungsmittel (6) zusätzlich eine Base aufweist .
6. Verfahren nach Anspruch 5,
wobei die Base Ammoniak ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
wobei die Konzentration des Ammoniaks kleiner oder gleich 0,05 % ist.
8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden
Ansprüche,
wobei das Ozon gasförmig in die Kammer (10) eingeleitet wird.
9. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden
Ansprüche,
wobei die Konzentration des Ozons zwischen 180 g/m^ bis 250 g/m^ beträgt.
10. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden
Ansprüche,
wobei das Wasser deionisiert ist.
11. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden
Ansprüche,
wobei das Strukturierungsmittel (6) im Schritt B) eine
Temperatur zwischen einschließlich Raumtemperatur und
einschließlich 90 °C aufweist.
12. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei die Kammer (10) und/oder der Träger (11) im Betrieb eine Rotationsgeschwindigkeit von 5 U/min bis 1200 U/min aufweist .
13. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden
Ansprüche,
wobei das anorganische dielektrische Element (3) als Schicht mit einer Schichtdicke zwischen 20 nm und 150 nm ausgeformt ist .
14. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden
Ansprüche,
wobei das anorganische dielektrische Element (3) zwischen 5 Minuten und 20 Minuten mit dem Strukturierungsmittel (6) behandelt wird.
15. Optoelektronisches Bauelement (100) aufweisend
- eine Halbleiterschichtenfolge (1), die zur
Strahlungsemission eingerichtet ist,
- ein Auskoppelelement (2), das zumindest ein anorganisches dielektrisches Element (3) mit einer Oberfläche (4) aufweist, wobei das anorganische dielektrische Element (3) eine
mittlere Rauigkeit (Rq) zwischen einschließlich 20 nm und einschließlich 30 nm aufweist.
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